顯化科學方法教育 發展學生科學思維
——以 “正交分解法”復習為例

徐漢超 李俊永 王長江

(1. 江蘇省蘇州市吳江中學，江蘇 蘇州 215200；2. 貴州省仁懷市周林高級中學，貴州 仁懷 564500；3. 安徽師范大學物電學院，安徽 蕪湖 241002)

1 引言

高中物理教學因其自身的特殊性，在發展學生科學思維方面具有不可替代的作用。遺憾的是高中物理教育在這些方面的工作難以令人滿意，具體表現在一些高中生的物理問題解決能力弱，不能有效地運用科學方法解決具體的物理問題，學生的科學思維能力較弱。鑒于此，筆者提出：物理教學活動應該圍繞學生的思維活動而展開，通過顯化科學方法的策略來發展學生的科學思維。

物理教育家閻金鐸、喬際平先生在《高中物理：概念·規律·方法》中，從力學到電磁學的各個單元分別對科學方法教育進行了分析與說明，邢紅軍教授也提出了科學方法中心論、顯化科學研究方法等觀點，《普通高中物理課程標準(2017年版)》將“科學思維”作為核心要素的四個方面之一。

科學思維貫穿于問題解決的全過程，筆者認為科學方法的教育在適當時機需要顯化，現以高三“正交分解法”的復習為例，探討顯化科學方法教育、發展學生科學思維的途徑。

2 教學案例分析

高三物理教學特別是二輪復習教學更加注重方法的積累與總結，大多數高三學生科學思維能力沒有得到較好的發展，究其原因在于他們在高中物理學習中對基本的科學方法不甚了解，筆者采用顯化科學方法教育的方式來解決這個問題，從而提升學生的科學思維能力。

2.1 通過對比，引發科學思維

如圖1所示，新課伊始呈現最簡單的直流電路并截取一個節點上的相應電流，同時展示與之類似的共節點力的示意圖，并尋求圖1中各量的關系。

圖1

讓學生比較電流與力的求和規則，教師提問：I=I1+I2，F=F1+F2是否成立？學生在腦海中調用電流和力的求和規則，判斷出這是在考查矢量與標量的本質區別，并確認后一公式錯誤。教師引出正交分解的問題：怎么才能使矢量的求和簡單、便捷？

如圖2所示，力的正交分解法是指把力沿著兩個選定的互相垂直的方向進行分解，是力的平行四邊形定則的具體應用，體現的是等效思維方法。該環節應強調正交分解過程，得出：Fy=Fsinα，Fx=Fcosα。

圖2

設計意圖：通過學生對電流與力節點圖的觀察，調動學生已有認知，由此啟動學生的思維，對兩個等式正誤的判斷會使學生關注物理量的求和規則，進而提出解決力求和的問題，正交分解法呼之欲出。本設計考慮到學生先前知識儲備，抓住矢量、標量求和的不同，為正交分解法的復習鋪平道路。

2.2 利用分解過程，培育科學思維

運用力的正交分解法解題時需要認真審視具體的物理問題，把握問題的關鍵特征，正確列出數理方程，顯化科學方法的教育。

例1：如圖3所示，物體所受重力為G，在與水平方向成α角的恒定拉力F作用下沿水平面勻速運動，求物體與水平面間的動摩擦因數。

圖3

解析：運用正交分解法列出豎直方向上和水平方向上的平衡方程，再尋找兩個方向上的具體聯系，即建立：∑F=0或其分解式∑Fx=0，∑Fy=0，這是正交分解法的精髓。

設計意圖：在教學中，學生的能力需要在實踐中提高，在練習中提升，該例有利于學生對科學方法的掌握。在正交分解法依次展開的過程中，學生的科學思維能力逐漸提高，并以此為新起點將思維逐步向縱深進階。

為了讓學生對問題的認識更加深刻，也為了很好地發展學生的模型建模、科學推理等科學思維能力，實現思維的縱深進階，可對例1進行變式處理。

變式1：若恒力向右斜向下，與水平方向夾角不變，物體做勻速運動，求物體與水平面間的動摩擦因數。

變式2：若物體在恒力的作用下產生向右的加速度a，求物體與水平面間的動摩擦因數。

2.3 正交分解牽連速度，拓展科學思維

正交分解也可以根據研究問題的需要拓展到對運動的研究中，正交分解的方向在原則上有無窮多個，但在具體的問題中要根據方便性原則靈活選取。緊接前面的教學，以牽連速度問題為載體的正交分解實例拓展學生的思維。

圖4

解析：如圖5所示，對小球A和B的速度進行正交分解，再結合系統的機械能守恒解決該問題。其中既有把兩小球視為質點的理想化處理，也有對輕桿不可伸長的理想化處理，即沿桿方向A和B的速度相等，也涉及機械能守恒的明確表述，每一步都有科學思維方法的運用。在具體的研究方法上，力可以正交分解，速度亦可正交分解，進而任何矢量皆可正交分解，正交分解法的運用在具體問題中需靈活處理。

圖5

設計意圖：科學思維能力的發展不能畢其功于一役，只能循序漸進、逐步去落實。從對問題解決的每一個細節的處理來講，不論是建模還是論證，都需要依據科學方法

教育的要求細化問題，化復雜為簡潔。

2.4 在復合場中運用正交分解法，進階科學思維

帶電粒子在復合場中的運動能夠較好地體現科學方法的教育價值，利于學生科學思維能力的提升，基于等效方法的正交分解法在復合場中的應用就是一例。

例3：如圖6所示，一帶電微粒以豎直向上的初速度v0，自A點進入場強大小為E、方向水平向右的勻強電場，微粒受到的電場力重力大小相等，當微粒到達B點時，速度大小仍為v0，但方向變為水平，那么A、B之間的電勢差等于多少？從A運動到B經歷的時間為多少？

圖6

解析：本例比較復雜，帶電微粒的運動可以分解為豎直方向上的上拋運動與水平方向上的勻加速直線運動。此外需挖掘隱含條件：B點的速度水平向右，體現了科學論證能力培養的要求，引導學生思考：為什么帶電微粒在B點的速度可以水平向右，在A點豎直方向速度為什么會改變？學生會利用正交分解法去分解力和運動，探討分運動的等時性和獨立性問題。

設計意圖：在具體的問題解決中顯化科學方法教育，首先，準確把握水平方向與豎直方向上的運動具有等時性；其次，具體問題具體分析，在建模過程中把握正交分解法運用的基本要領；再次，以圖表形式讓思維可視化；最后，對物理問題解決的過程進行反思，通過科學方法的運用實現科學思維進階。

3 顯化科學方法教育的建議

3.1 物理教師應當具有研究和梳理科學方法的意識

顯化科學方法并突出其中心地位，需要物理教師特別是物理備課團隊深入研究和挖掘課程標準和教材中的科學方法教育因素，有意識地將科學方法在物理課堂中顯化出來，物理備課組應重點研討科學方法顯化的具體方式，發揮集體的力量，摒棄單兵作戰模式，提高研討效率。

3.2 在復習中應當以科學方法的運用為關鍵支撐

物理核心素養的落實最終指向學生的終身發展，知識的復習與掌握離不開有效的實踐，此實踐主要指學生對與科學方法相聯系的物理習題、原始物理問題的解決，日日有進則可至千里，在物理復習中顯化科學方法的教育是落實核心素養培養的重要途徑。